[發(fā)明專利]基于混沌遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡負載均衡路由協(xié)議

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• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111970743A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設計）人: 胡黃水;王宏志;王出航;姚美琴;劉清雪;王婷
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林建筑科技學院
• 主分類號: H04W40/32
• 分類號: H04W40/32;H04W40/24;H04W40/02;H04L12/721;G06N3/12
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1.基于混沌遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡負載均衡路由協(xié)議，其特征在于：包括系統(tǒng)模型、分簇路由和簇維護；系統(tǒng)模型為協(xié)議實現(xiàn)提供模型，具體包括網(wǎng)絡模型和能量模型；分簇路由利用混沌遺傳算法進行選擇、交叉和變異來同時找到最優(yōu)的簇頭和路由路徑，避免局部最優(yōu)，提高收斂速度；簇維護考量能量和負載平衡來計算輪周期，避免頻繁成簇，進一步降低網(wǎng)絡能耗；

所述的分簇路由采用混沌遺傳算法來同時找到最佳CH和每個CH的最佳路由路徑；通過混沌映射構(gòu)建初始種群，并通過精英選擇、雙點交叉和位變異產(chǎn)生下一代種群，以能耗最小和負載最均衡為目標，構(gòu)造適應度函數(shù)，并計算種群中各個體的適應度值；滿足終止條件時，適應度值最小的個體即為最優(yōu)解；染色體代表了最優(yōu)CH和路由路徑，編碼為正整數(shù)序列，長度等于網(wǎng)絡中節(jié)點的數(shù)量，一個正整數(shù)代表節(jié)點的ID號；此外，染色體由兩部分組成，前部分用于尋找路由路徑，稱為路由基因，后部分用于CH選擇，稱為CH基因；路由基因表示所選CH的下一跳CH，CH基因表示相應CM的CH；由于混沌logistic映射對初始值敏感、隨機序列生成能力強，于是采用其來產(chǎn)生基因，表示為其中，μ為控制參數(shù)，當μ3.57且z_i≠0.25,0.5,0.75時，系統(tǒng)進入混沌狀態(tài)；為了產(chǎn)生染色體，首先，隨機產(chǎn)生不相等的基因作為CH，且必須滿足

也就是說，每個候選CH中必須至少存在一個CM，因此，一個CM具有一個有效的CH；然后，隨機選擇一個候選CH作為下一跳CH；最后，通過將每個CM的CH與每個CH的所選候選下一跳CH組合來產(chǎn)生有效染色體；接下來構(gòu)造適應度函數(shù)，適應度函數(shù)對遺傳算法的尋優(yōu)性能起著至關(guān)重要的作用，它被用來評價個體的質(zhì)量；網(wǎng)絡能耗最小和平衡網(wǎng)絡負載是CRCGA的兩個主要目標，為此，首先要盡可能降低CM和CH的能耗；因此，將CM和CH的剩余能量作為適應度函數(shù)的一個因子α，其表示為E_totalres＝n*E_init-E_total，E_init是所有節(jié)點的初始能量；其次，由于簇頭間負載均衡對能量效率影響很大，所以將它作為適應度函數(shù)的另一個因素；因此，本發(fā)明的適應度函數(shù)表示為

其中α和β是網(wǎng)絡能耗和負載平衡的標準化值，分別表示為

其中LB_CHS為簇頭的負載，LB_CHSmin和LB_CHSmax是LB_CHs中的最小值和最大值，E_total為網(wǎng)絡的總能量消耗，和是E_total的最小值和最大值；連續(xù)執(zhí)行以上單個染色體過程來產(chǎn)生初始群體；然后計算種群中每個染色體的適應值，并按升序排列；最后，選擇、交叉和變異算子被用來產(chǎn)生下一代種群；

選擇是模仿自然選擇的過程，根據(jù)其適應度函數(shù)值，使評價較高的優(yōu)秀個體有更大的概率被選為下一代；適應度函數(shù)的值越小，個體越接近最優(yōu)解，被選中的概率越大；CRCGA采用精英選擇策略，將精英個體直接選擇到下一代群體中；對于其它個體，每個個體決定其適應度函數(shù)值是否小于隨機個體的適應度函數(shù)值；如果是，則選擇它進行交叉操作，否則，選擇隨機個體來加速收斂，同時保證種群的多樣性；

交叉是指將父代的基因轉(zhuǎn)移到后代以獲得最優(yōu)個體的繁殖過程；本發(fā)明采用兩點交叉，兩個隨機交叉點分別位于染色體的兩個部分，交叉后的子染色體與相應的父染色體比較適應度值，如果小于父染色體，則選擇它進行變異操作，否則選擇父染色體進行變異操作；

本發(fā)明采用位變異，變異為基因提供了更大的搜索能力和多樣性；隨機選擇一個變異點，改變相應的基因，得到新的個體；并計算其適應度函數(shù)值，并選擇較好的個體給下一代；所有變異操作后的個體與直接選擇的精英個體相結(jié)合，產(chǎn)生下一代種群；最后尋找最優(yōu)解，一旦本發(fā)明迭代次數(shù)滿足其中一個終止條件，就可以得到最優(yōu)解，即找到所選簇頭的最優(yōu)路由路徑和成員；不失一般性，迭代次數(shù)作為終止條件之一；另外，將適應度函數(shù)值的偏離度作為另一個終止條件，如下所示

其中ω是種群中的個體數(shù)，F(xiàn)itness_i是第i個個體的適應度函數(shù)值，F(xiàn)itness_max是適應度函數(shù)的最大值，ε是一個預置的小正數(shù)，等于10^-5，一旦遺傳運算停止，種群中適應度值最小的個體即為最優(yōu)解；

所述的簇維護是采用自適應輪周期來重新成簇，不同于采用固定輪周期來重新成簇容易導致頻繁成簇產(chǎn)生許多控制報文而消耗大量能量，自適應輪周期考量網(wǎng)絡能耗和負載均衡來自適應計算輪時長，從而降低網(wǎng)絡能耗；具體為考量網(wǎng)絡的負載均衡和能量均衡，分別表示為γ和δ，即

T_newround＝2*T_round*(1-γ)*(1-δ),

其中

·T_round是傳統(tǒng)循環(huán)時間

·γ是能量系數(shù)，表示如下

其中和分別是的最小值和最大值，n'是存活節(jié)點數(shù)，n為網(wǎng)絡的節(jié)點個數(shù)；

δ是負載系數(shù)，且有：

和分別是的最小值和最大值；

顯然，因為節(jié)點的狀態(tài)通常由節(jié)點附加在傳遞給BS的數(shù)據(jù)包中，因此不會產(chǎn)生額外的開銷，在每個輪周期開始時，BS使用混沌遺傳算法來獲得最佳CH和路由路徑，然后將它們與計算的輪周期一起廣播到網(wǎng)絡，所有節(jié)點根據(jù)接收到的信息相互通信。